摘要：深部煤层埋深大,煤岩结构致密,裂隙相对不发育,成为制约深部煤层气高效开采的重要因素.水力压裂主要在煤层中形成较宽大的裂缝,而超临界CO2(ScCO2)由于其分子结构较小,黏度低,能够渗透到煤体微纳米尺度的孔裂隙内,从而产生较复杂的显微裂缝网络,有效增加气体运移空间.结合显微CT、声发射仪、形貌扫描仪研究了 ScCO2压裂延安区块深部煤体后显微裂缝的分布特征及扩展规律,获得了不同应力约束条件下煤中压裂裂缝的分布特征,分析了煤体结构、地应力、ScCO2特性等因素对显微裂缝起裂与扩展的控制机理,定量表征了显微裂缝的形貌特征及其非均质性,揭示了显微裂缝扩展与分布的控制机理.研究结果表明,1～3号样的垂向应力差系数(Kv)均为0.4,4号样的Kv为0.6时,1～3号样的破裂压力均在25 MPa附近,而4号样的破裂压力仅为16 MPa,即Kv增加有利于煤体破裂.ScCO2压裂后煤体中显微裂缝发育,其形态复杂且连通性增强,有利于气体运移.ScCO2进入煤体,沿着较大孔裂隙通道逐步进入显微尺度的孔裂隙,随着注入气体量增大,ScCO2对煤体的挤压强度不断提高,煤体先发生显微破裂,随着ScCO2聚集压力增大,煤中裂缝被撑开发生整体破裂.由于ScCO2能够进入不同尺度的煤体内且其分布较均匀,因此形成的裂缝分布范围较广.1～4号样裂缝面的粗糙度分形维数分别为1.915、1.828、1.814和1.797,表明煤体的破裂压力越大,裂缝面的分形维数越高,裂缝的非均质性越强.煤体结构、地应力和ScCO2性质是影响深部煤体压裂裂缝展布的主要因素.研究结果为ScCO2压裂改造深部煤体渗透率提供了指导.

摘要：我国煤矿残采区内遗存大量难采煤炭资源(后文简称"遗煤"),浅层遗煤储量可观且开采价值巨大,安全回收能够助力我国煤炭资源持续供给;同时,遗煤长期滞留易自燃,威胁环境安全且难以处置.因此,基于绿色开采和科学开采学术思想,结合充填开采和煤炭地下气化开采工艺,提出了一种关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤的技术构想.该技术体系通过遗煤地下气化关键域全过程识别、充填材料优选及结构设计、遗煤地下气化空间重构、遗煤资源地下气化复采、复采区监测及充填综合调控等步骤,实现遗煤资源的安全低碳高效开采.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤需要解决四大关键科学问题:遗煤赋存空间煤岩失稳破坏特征及关键域判别原理、关键域充填材料热损伤机制及耐高温机理、遗煤地下气化煤岩充结构体承载-渗流特性及失稳机理、关键域充填结构设计及参数优化准则等.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤面临的四大关键技术包括:残采区关键域多参量识别技术、关键域充填材料优选技术、遗煤地下气化燃空区链式灾变模拟技术、关键域充填协同地下气化"充填-气化"参数调控技术等.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤需要完成的研究内容有:残采区关键域精准判别与充填位置科学确定、关键域充填材料优选与结构设计、遗煤地下气化分布式燃空区失稳特征与灾变机理、关键域充填协同地下气化复采岩层稳定性控制方法等.该技术有望同步实现浅层难采遗煤回收和矿山固废再利用,推动煤炭地下气化和岩层控制技术的发展,保障我国的能源供给安全.

摘要：煤自然发火涉及多尺度研究,单煤颗粒是连接微观机理和宏观表征的关键尺度.现有研究在微观尺度和宏观尺度上均开展了大量的工作,但仍缺乏对颗粒尺度效应在煤自然发火中影响的定量分析和评价.首先基于等效球对称模型和煤氧化反应方程建立了第3类边界条件下单煤颗粒内部温度和氧气浓度扩散控制方程,对数学模型进行无量纲处理,推导得到单煤颗粒内部无量纲氧气浓度和温度分布的解析解,定义并得到判断颗粒尺度效应强弱的效率因子数学表达式.进一步,通过对比数值方法与解析解的计算结果验证了解析解的正确性.最后,分析了几个关键无量纲准则数对颗粒内部无量纲氧气浓度、温度分布和效率因子的影响.结果表明:颗粒内部无量纲浓度分布是蒂勒模数和传质毕渥数的函数,而无量纲温度分布则涉及蒂勒模数、传质毕渥数、传热毕渥数以及新得到的准则数4个无量纲准则数;效率因子与蒂勒模数和传质毕渥数有关;当蒂勒模数小于0.1且传质毕渥数大于0.1时,效率因子接近于1.0,此时完全可以忽略颗粒效应;当蒂勒模数大于2.0时,效率因子总是低于0.8,应考虑颗粒效应的影响.工程上可以依据所提出的表征颗粒尺度效应强弱的效率因子计算式进行估算,从而决定是否需要考虑颗粒尺度效应.研究成果为定量分析单煤颗粒微观特性对宏观表征的影响以及后续多尺度仿真模型的建立奠定了基础.

摘要：柴油机运输、爆破作业、煤自燃、外因火灾和瓦斯/煤尘爆炸是矿井CO的主要来源,导致井下CO浓度超限报警频发,严重影响矿井安全生产.现阶段矿井CO防控主要依赖呼吸防护与物理通风,其本质为被动隔离或稀释CO,应急处置效率和响应能力有限,难以实现CO危害的根本性控除.针对上述问题,团队于2017年提出了矿井CO化学消纳新思路,并在消纳材料研制、理论模型构建、装备研发及工程应用方面取得系列突破.基于前期研究成果,阐述了"分源治理、环境适配"的矿井CO化学消纳技术内涵,提出了 CO化学消纳效果量化评估的3项关键指标:CO消纳率、CO消纳速率和CO消纳量;基于过滤式与喷洒式CO消纳的物理特征,结合消纳材料表面CO氧化反应机理,建立了矿井CO化学消纳过程动力学演化理论模型,实现了 CO化学消纳规律的定量刻画;开展了无轨胶轮车尾气与高温腔室CO消纳试验,8.03 L消纳材料可将怠速工况下尾气CO排放体积分数降低至23×10-6以内,100 g消纳材料喷洒量可将200 ℃腔室内CO体积分数在60s内从2.5％降低至0.09％,CO消纳率均超过93％,证实了 CO化学消纳法的有效性.此外,构建的理论模型预测的CO体积分数演化过程及CO消纳率、CO消纳速率和CO消纳量与试验结果吻合良好,误差在20％以内.矿井CO化学消纳法具有较好的应用前景,研究成果可为CO致灾风险的超前化解与灾害应急处置的实践应用提供理论基础.

摘要：在全球能源危机愈演愈烈的大背景下,立足增加国内油气供给的国家能源安全战略需求,富油煤原位热解技术在我国受到空前的重视,该技术具有污染少、扰动小、规模化潜力高的特点.然而,钻井式富油煤原位热解过程的高度不可视性、人员不可抵近性以及复杂的地下反应条件给煤炭安全生产带来了新的挑战,是富油煤原位热解技术推广应用中不得不考虑的重要因素.充分掌握油气产出特征及其燃爆特性、原位热解反应调控机制、热解过程裂隙扩展规律及油气运移机制、富油煤原位热解环境影响及其防控技术是保障富油煤原位热解稳定运行和安全风险防控的重要基础.但目前还存在富油煤原位热解油气产出特征及其燃爆风险不明确、原位热解区域热量传递规律及输运模型不完善、多场耦合作用下油气产物迁移规律尚未明晰的问题.在完善上述理论的基础上,开发兼具防止油气外逸和上覆岩体增稳功能的裂隙封堵材料、探索不连续裂隙空间封堵工艺、研发热解反应腔体的屏蔽隔离技术、发展空-天-地一体化多维度监测体系和高效数据汇集处理系统、建立智能化与自动化富油煤原位热解反应控制体系,可为富油煤原位热解技术推广应用提供安全保障.尽管世界各国都已开展了相关理论、技术及装备的研究和探索,但仍未能满足富油煤原位热解过程安全预控的需求.

摘要：随着煤炭行业智能化开采的快速发展,传统煤矿水灾防治技术因效率低、精度不足等问题,难以满足复杂地质条件下的精准防控需求.为此,提出了面向智能开采的矿井水灾智能化防控关键技术,构建了数据感知-模型构建-动态评价-综合治理-应急防控全流程闭环管理系统,显著提升了水灾防治的主动性与可靠性.首先,通过"长掘长探"智能物探、随采地震动态探测以及"井-地-孔"联合电法、微震、水文监测等多源全空间多物理场耦合监测网络,提升了异常体边界识别精度,结合实时数据处理与动态成像,实现工作面前方导水构造的精准探查;其次,基于智能化探测与监测成果,提出了多属性高精度建模技术,融合钻孔、地震及随钻数据,基于矿井区域地层沉积相分析,结合分段式激光雷达扫描与全局标定算法、隐式迭代插值算法与TIN-GTP网格建模技术,通过参数化建模技术映射含水层、陷落柱等致灾要素,构建了厘米级精度的三维巷道模型和多属性综合水文地质模型,支撑矿井水灾风险的空间关联分析,实现了静态地质模型的动态更新与透明化;再次,基于矿井综合水文地质模型中含(隔)水层及其顶底板厚度、标高等属性信息及水文动态监测数据,采用LSTM-GCN混合网络与贝叶斯模型,利用时空信息关联耦合算法,智能评价水灾风险,实现了矿井涌水量水源判识和涌水量的实时预测,并通过风险热力图实时分析,构建了水灾风险动态评价系统;然后,开发了基于三维地质模型的钻孔轨迹智能设计算法、基于AI视频的探放水钻杆智能识别算法以及自然语言的报告模板化生成算法,研发了水文地质信息数字化动态管理系统和致灾水体智控疏放与智能注浆系统,通过三维轨迹与煤层结构的空间叠合分析、多目标优化模型与自适应调控算法,实现了钻孔轨迹智能生成及集成自主施工、远程监控与轨迹优化、设计报告台账的自动化动态更新,提升了水灾隐患治理工程施工效率;最后,基于矿井工程地质、水文地质数据同步映射驱动信息更新,并结合人员定位、巷道模型动态模拟突水蔓延过程,采用防治水治理工程地质信息和水文地质信息双重实时解析反馈机制,利用多约束路径动态优化算法,实现灾情推演与救援方案的快速生成.未来,研究将聚焦物联网智能集控平台与全流程综合智能系统,推动矿井水灾防控向"感知-分析-决策"自主化方向演进,为煤矿安全生产与智能化建设提供核心支撑.

摘要：随着地球浅部能源资源逐步开采殆尽,提升人类对深部固体资源获取能力是全球科学前沿和技术发展的必然趋势,也是确保我国长久能源安全的战略选择.煤炭禀赋固体资源与能源属性,深部煤炭资源流态化开采是突破固体矿产资源开采深度极限的颠覆性技术,其关键是要构建能考虑深部煤炭资源流态化开采原位赋存环境影响的深部工程科学全新理论与技术.现有岩石力学理论与方法难以考虑深部原位环境的影响(现有强度准则、本构方程等与深度无关、与深部原位环境无关),无法有效指导流态化技术研发和灾害防控,亟需发展考虑深部固体资源流态化开采原位多场多相环境影响的原位岩体力学新理论、新方法.建立深部原位多场多相岩体力学理论是实现深部固体资源流态化开采的基础,针对考虑深部煤炭资源原位流态化开采赋存环境影响的岩体力学理论新体系,凝练了四大关键科学问题:①深部固体资源流态化开采不同深度赋存环境本真参数与岩体物理力学行为差异性规律;②考虑深部固体资源流态化开采多场多相赋存环境影响的原位岩体力学理论;③深部固体资源流态化开采围岩稳定与岩层控制机制及动力灾害孕灾机理;④深部固体流态化开采负碳充填体的拓扑结构与构建.并相辅相成地提出五大关键技术问题:①深部固体资源流态化开采不同深度原位多场多相赋存环境本真信息获取技术;②深部固体资源流态化开采环境重构下岩体形变多参量同步测试技术;③深部固体资源流态化开采围岩多场耦合破坏智能数值仿真技术;④深部固体资源流态化开采负碳充填材料改性及性能调控技术;⑤深部固体资源流态化开采负碳高效充填技术.最后,结合科学问题和技术问题细分出七大重点研究内容:①深部固体资源流态化开采不同深度岩体力学行为原位测试原理与技术;②深部固体资源流态化开采环境重构下多场多相岩体形变规律同步测试方法与技术;③深部固体资源流态化开采下原位岩体力学理论与灾变预测方法;④深部固体资源流态化开采下围岩稳定技术与安全评价方法;⑤深部固体资源流态化开采巷道前方灾害源随掘声波精细探测技术;⑥深部固体流态化开采下负碳充填及其岩层控制技术;⑦深部开采动力灾害防控方法及工程示范.基于以上内容构建深部固体资源流态化开采原位多场多相岩体力学理论,为未来深部固体资源流态化开采提供理论基础和技术支撑.

摘要：循环流化床锅炉在超低负荷运行时,存在煤耗高、主汽温度低和NOx排放值无法满足50 mg/m3以下环保限值的技术瓶颈,严重制约了循环流化床锅炉的深度灵活调峰应用.在1台240 t/h高温高压循环流化床锅炉的炉膛两侧墙,各耦合了 1支24MW煤粉流态化自预热器,通过循环流化床主炉膛给粒煤和预热器给粉耦合燃烧方式,提升循环流化床低负荷燃烧的炉膛上部温度,并利用预热燃料还原循环流化床密相区已生成NOx的技术思路,破解循环流化床锅炉低负荷燃烧的技术难题.结果表明:煤粉自预热温度达到800 ℃以上,实现了锅炉负荷25％(预热给粉15％+主炉膛给煤10％)和锅炉负荷20％(预热给粉10％+主炉膛给煤10％)的稳定运行,且在超低负荷下,仅通过炉内喷氨,NOx原始排放分别为38.2和47.5 mg/m3,均达到了超低NOx排放标准,锅炉热效率分别为91.52％和91.09％.锅炉负荷25％和20％时,循环流化床主炉膛密相区温度均高于750℃,且锅炉负荷25％时,主炉膛出口温度达到670 ℃,形成了循环流化床锅炉超低负荷稳定、高效、清洁燃烧的技术方案和运行方式.试验研究结果为循环流化床锅炉深度灵活调峰技术研发和工程应用提供了重要支撑.

摘要：针对由于煤矿采动巷道围岩条件复杂、开采强度大、矿压显现强烈,导致巷道冒顶、大变形等动压现象频发的难题,深入探讨了煤矿采动巷道冒顶机理,揭示了煤矿采动巷道冒顶的直接原因和力学本质,建立了裂隙危岩坠落、松散岩体垮落、弱黏结复合顶板垮落、大变形巷道蝶叶型冒顶等巷道顶板灾害的情景模式,阐明了先天缺陷型和采动影响型2种巷道冒顶类型.在巷道冒顶机理的指导下,开发了系列覆盖巷道服务全周期、拥有自主知识产权的煤矿采动巷道冒顶控制的关键技术和装备:巷道顶板灾害隐患分级定位排查方法、巷道围岩状态感知技术和支护设计智能决策系统、配备有集束式架载锚杆钻机群的综掘液压支架临时支护系统、以"悬臂式掘进机+综掘掩护支架+架载有轨锚杆钻机"为核心的掘进工作面"三机"配套新模式、异形变孔径钻进锚固增效技术、大变形抗冲击韧性锚索、可折叠无反复支撑超前支架等,阐明了各项自主技术的研发背景、关键创新和良好应用效果,解决了复杂条件煤巷冒顶机理、冒顶隐患定位排查预警、全周期顶板安全支护与控制等关键难题,实现了冒顶隐患可视化智能分析和巷道差异化支护设计,对于从源头上消除掘进空间和采动影响期间巷道冒顶安全隐患,提升我国煤矿灾害防治水平,保障国家能源安全具有重要意义与广阔应用前景.

摘要：煤炭资源井工开采会引发上覆地层的移动变形,对工业广场建(构)筑物运维、采区规划及矿井安全生产造成严重影响.揭示基岩、松散层与地表三者之间的移动变形差异性及其垂向形变传递特征,对于矿区安全开采与沉陷控制具有重要实践意义.以两淮新集矿区为研究对象,采用分布式光纤感测技术构建全地层监测系统,通过开展三维物理相似模型试验与工程原位测试相结合的方法,利用应变表征数据研究了煤层开采过程中全地层垂向移动过程及其变形分布与演化特征.研究表明:基岩、松散层与地表的移动变形呈现非整体、不连续特征,基岩与松散层内部变形表现出典型的分段性.在变形时序特征上,基岩表现为"陡沉—慢沉—稳沉"的快速传递模式,松散层呈现"缓沉—陡沉—慢沉—稳沉"的含隔水层分段变形模式,而地表则表现为"慢沉—缓沉—稳沉"的非均速渐变移动模式.进一步分析发现,基岩段变形传递速率是松散层段的4.8倍,而基岩段变形传递时间仅为松散层段的0.27倍.现场监测结果表明:全地层下沉构成中,基岩段下沉贡献率为78.4％,松散层段下沉贡献率为21.6％.回采阶段上覆地层受沉积层状结构及疏水共同作用,内部拉伸变形主要集中于采空区上方离层发育区及采空区边界附近,而压缩变形则集中于煤壁前方支承压力影响区.研究结果深化了厚松散层下煤层开采覆岩移动变形传递机制的认识,可为开采过程中从被动沉陷控制转向主动减沉、减损提供数据支撑与科学指导.

摘要：深部煤层气(又称煤岩气)已成为我国天然气增产的重要增长极.实践证实深部煤层(岩)气必须通过大规模水力压裂获得高产,其排采规律和开发特征与中浅层煤层气存在显著差异,但背后产气关键机理和定量化排采指标界限尚不明确.与中浅层煤层气相比,研究提出了深部煤层(岩)气井因其地质特殊性决定了二者在压裂改造强度及资源动用范围、渗吸置换效应、排采理念及方式等开发领域的三大差异,基于物理模拟试验、数值模拟、机理剖析、现场试验等多种方法,首次揭示了深层煤层气压后焖井及控压排采的内在机理,明确了科学焖井时间、返排及投产后的控制制度关键定量指标与优化策略,建立了深部煤层(岩)气井全生命周期"五步六阶段"制度体系与开发模式,现场验证效果显著.结果表明:①深部煤层(岩)气科学开发理念是通过"合理焖井、控压生产、保持气液两相流、延长自喷期",充分发挥压裂改造"缝控范围"(SRV)内压裂液的"压驱-渗吸-置换"效应,最大化泄气体积(DRV)内气液两相协同高效产出,从而使单井最终可采储量(EUR)最高;②深部煤层(岩)压裂焖井过程中存在显著的气水置换效应,基于渗吸置换核磁共振试验、长岩心压力传导试验及矿场尺度数值模拟,估算压裂液焖井时间下限为2.5 d、上限为15 d,结合大吉区块深部煤层(岩)气现场开发实践,综合确定深部煤层(岩)气井合理焖井时间为3～11d;③微流控试验和在线核磁共振试验均表明,若生产过程中排采过快,气相极易沿优势大通道"窜流"突进,导致大量水相滞留于次级裂隙,且有效应力越大,水相滞留量越大、产出效率越低,进而堵塞与次级裂缝相连的基质孔隙中气体产出通道;核磁试验表明,相比"快速降压"方式,采用"逐级降压"控制方式的深部煤层(岩)气采收率提升了 39.1％(从41.6％至80.7％),表明"逐级降压"控制方式既能避免气相突进、保障气水稳定协同产出,也能通过"吸附态解吸补充-游离态持续供采"的良性循环,大幅提升采收率;④速敏和应敏试验表明,自支撑裂缝和支撑裂缝导流能力在有效应力5～20 MPa区间内呈指数型急剧下降(降幅超94％),且流速超过某临界值后会因煤粉运移或支撑剂嵌入、返吐等导致导流能力严重损伤,表明需通过控压排采方式防控渗流通道导流能力损伤,综合多种方法确定返排阶段直井单层合理返排液量为20～23 m3/d,推广至水平井(以压裂10段为例)最大日产液量不超过230m3/d;⑤综合数值模拟与动态监测,明确了大吉区块不同排采阶段的合理排采制度,定量确定了千米日产气量(日配产量)为4×104～5× 104m3/d,建议返排阶段、上产阶段、稳产阶段、递减阶段的压降速度分别控制在0.60、0.70、0.04、0.07 MPa/d阈值以内;⑥基于深部煤层(岩)气焖井与控压排采试验和模拟结果,构建了以"焖井扩散促解吸、控压稳流防闭合、调控促排提产量、精细管控延自喷、举升解堵保稳产、补能解吸控递减"为核心的"五步六阶段"新型全生命周期排采制度体系.理论指导应用大吉区块31 口井,实践证实新试验井的产液、产气、压力等生产指标均显著优于同生产阶段"几乎未主动焖井+快速返排放产的生产井",实际焖井时长7～10d,返排阶段的返排率由20.0％提升至30.1％,投产时的初始井口压力由6.45 MPa提升至11.64 MPa,相比增幅80.5％,预测自喷稳产周期延长至400～500 d,单井EUR预计提升30％以上.研究成果可为深部煤层(岩)气井排采制度优化、提升单井产量和提高采收率等提供科学理论依据.

摘要：随钻岩性识别是煤矿地质透明化探测的重要地质保障手段,传统的岩性识别方法主要为人工判别法,该方法依赖人的经验和专业知识的积累且受主观影响.近年来,智能化岩性识别方法涌现,利用机器学习的岩性识别模型智能判识岩性,常规相对单一钻进参数通过机器学习对岩性的识别准确率较人工高,但仍存在提升空间.基于此,基于履带式全液压坑道钻机升级随钻综合测量系统,开展不同岩性组合的岩层随钻试验,建立结合钻进参数和自然伽马的双参数岩性判别体系;针对SVM等传统算法存在的线性权重矩阵、需要参数量大、特征提取能力有限等弊端,将KAN网络运用到岩性智能识别.结果表明:对于SVM、KNN、DT及KAN等 4种机器学习算法,利用钻进参数和自然伽马的双参数判别体系相比钻进参数或伽马参数的单参数判别法能够显著提高岩性识别的准确率;在机器学习算法方面,KAN网络相比另外 3种传统机器学习方法提升了准确率,为精准识别地层岩性提供了有效方法.

摘要：视觉测量因其系统简单、非接触测量而被广泛应用于煤矿井下掘进机位姿测量,但视觉测量精度受到相机参数标定精度的影响,而井下复杂工况、光照不均及危险区域等因素导致掘进机位姿视觉测量系统相机标定精度低且标定困难.为提高井下掘进机位姿视觉测量系统相机标定自动化水平、标定精度和标定速度,提出一种掘进机位姿视觉测量系统相机在线自动标定方法.以掘进机位姿视觉测量系统的红外标靶作为标定目标,基于二次曲线极点极线约束以及直线射影变换交比不变性质构造标靶平面及其对应像平面上的虚拟点线特征,完成标靶平面及其对应像平面间的点线特征映射,并建立基于点线双特征约束的相机参数单应性求解模型,求解出相机参数的线性解.考虑镜头畸变影响,引入点特征的最小化重投影误差及线特征的直线间距离误差,建立包含动态权重系数和约束的组合目标函数,以单应性求解模型得出的相机参数的线性解为优化初始值,采用非线性迭代优化算法做进一步优化,得到优化后的相机标定结果.开展了标定视图数及噪声对不同标定方法标定精度影响的仿真分析,与其他方法相比,此方法只需要较少视图数时,标定误差趋向收敛,且具有较好的抗噪性能.搭建掘进机位姿视觉测量试验平台,对不同方法进行了相机标定试验并应用此方法完成位姿测量试验,结果表明:此方法获得的相机参数与真实值误差较小,fx、fy、u0、v0、k1、k2 的相对误差分别为 1.155%、1.144%、0.463%、0.450%、1.887%、4.082%,平均重投影误差为 0.197 pixel,位姿测量试验验证了标定方法的有效性,实现了井下掘进机位姿视觉测量系统相机在线标定,为高精度的位姿视觉测量提供了重要支撑.

摘要：机载激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)技术为矿区面状沉陷监测提供了高精度的三维空间数据支持.然而,在矿区复杂场景中,地物空间分布密集、地形梯度突变以及地物与地面点高程特征相似性高等问题,导致现有点云滤波方法精度显著降低,严重制约了地面点云的提取精度与沉陷监测可靠性.为此,提出了一种基于弯曲能量优化的矿区机载LiDAR点云自适应滤波方法,实现了复杂矿区场景下地面点的精确提取,为矿区面状沉陷监测提供高精度的三维空间数据支持.首先,采用一维离散平滑样条法提取潜在种子地面点,并基于多尺度形态学开运算剔除潜在种子地面点中残留的非地面点;其次,基于地形弯曲能量与回弹比之间的定量关系,构建一种自适应复杂地形的布料刚度调节方法,动态生成高精度参考地形;最后,通过点至参考地形的高差阈值判定,完成地面点与非地面点的分离.为验证方法的有效性,在复杂矿区开展了多场景试验,结果表明:在Ⅰ类误差和Ⅱ类误差指标上,所提出的方法较现有方法的误差显著降低,平均总误差为 6.08%,较现有方法降低了 49.04%.该方法成功解决了复杂矿区场景下地面点云的高精度提取难题,为矿区面状沉陷监测、边坡稳定性分析等安全监测任务提供了可靠的数据支持,并为空天地一体化的矿山安全智能监测体系的构建提供了技术支撑.

摘要：针对坑道钻机在钻探施工过程中所遇到的岩性识别技术问题,结合切割岩石时钻头后方采集到的随钻振动信号,提出了一种基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和差分演化(Differential Evolution,DE)算法优化的差分概率神经网络(Differential Evolu-tion-Product Neural Networks,DE-PNN)的岩性识别方法.首先,通过采用不同幅频特征的正弦信号合成钻进模拟信号,分别选择振幅为 10 g(g为重力加速度,1 g ≈ 9.8 m/s2)、频率为 50 Hz的高频高能量信号和振幅为 5 g、频率为 20 Hz的低频低能量代表钻进所遇的岩石和煤层,对比经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和加入多次高斯白噪声的EEMD的模态分解结果,验证了加入多次高斯白噪声的EEMD在解决模态混叠上的应用效果;其次分别对中国贵州省某矿实采的切煤、切泥岩和切砂岩的 1s时长振动信号进行EEMD分解,对其进行频谱分析得到相应的幅频特征,挑选前7个特征基本模式分量(Intrinsic Mode Function,IMF)为特征模态,并分别对其求取能量和归一化处理和奇异值分解来构建 14个参数的特征向量;最后通过对中国贵州省某矿实采的切煤、切泥岩和切砂岩的各 160组 1 s时长的振动信号进行特征向量构建,输入经DE算法优化的PNN进行训练并验证识别效果,优化后的神经网络对剩余样本岩性识别率得到显著提高.结果表明:切割岩石的振动信号经EEMD分解和DE算法优化的概率神经网络处理,可高效、快速、准确地进行岩性识别,为进一步的随钻岩性识别提供了新的参考意义,更好地指导矿井钻探工作的开展.

摘要：煤系地层上部覆有较厚松散层时,煤层开采后地表下沉盆地外边缘区将呈现出范围变大且收敛缓慢的特殊现象,为充分掌握厚松散层条件下地表下沉盆地外边缘区沉陷演变特征,构建出适用于厚松散层条件下的地表沉陷预计模型,以顾北煤矿 13121上工作面为例,基于实测资料分析了地表下沉盆地外边缘区下沉收敛和扩展的动态演变过程,研究了地表沉陷特征与地质采矿条件间的相关性,揭示了松散层厚度对地表沉陷特征的影响机理,融合Logistic函数修正了传统概率积分模型,基于鲸鱼优化算法提出了修正预计模型参数反演方法,并讨论了地质采矿条件对修正模型新增参数的影响.结果表明:外边缘区地表下沉收敛具有明显分段性,快速收敛区的下沉收敛效应随采动程度增大呈现先快速收敛而后趋缓的过程;下沉盆地外边缘区范围历经先急剧扩展—再稳定扩展—后小幅收缩的演变过程,且地表最大下沉值、快速收敛区收敛效应系数曲线斜率和盆地外边缘区扩展范围与埋深、采高、采动程度系数和松散层占比线性相关;破碎岩体充分压密、采动下沉消耗减小、松散层介质压缩与含水层失水固结 4个方面衍生的附加沉降是厚松散层地表下沉盆地外边缘区产生特殊沉降现象的主要原因;修正预计模型在恢复下沉系数q实际物理意义的同时,有效解决了传统概率积分法在预计外边缘区沉陷值收敛速度过快的问题,修正模型新增参数随松散层占比和埋深的增加逐渐减小,随采动程度系数的增加波动增大,但受采高变化影响不大.将修正预计模型应用于顾北煤矿 13121上工作面工程实践效果较好,研究成果将为厚松散层条件下"三下"压煤开采方案设计提供科学依据,并促进两淮煤粮复合区资源开采与耕地保护的协同发展.

摘要：生物质资源丰富,具有碳中性,是化石能源的可持续替代品.开发利用生物质资源,是能源生产和消费革命的重要内容.低温炭化是一种有效的生物质预处理方式,可实现生物质的高效利用.选取玉米秸秆为原料,在180～240℃的温度范围对其进行湿法水热和干法烘焙处理,并通过微波消解技术与化学分馏法分析原料及烘焙炭中碱金属的迁移规律.研究结果显示,随着烘焙温度的逐渐升高,碱金属钾的总含量逐渐减少,并且发生了钾的赋存形式从水溶态向离子交换态的转变.将烘焙炭与煤混合制备炭-煤-水多元浆体,探讨了烘焙工艺对生物质颗粒的成浆性能的影响,并进一步分析了碱金属的赋存迁移与多元浆体成浆性能之间的相关性.结果表明,相较于湿法水热处理,通过干法烘焙技术制得的烘焙炭,在与煤制备炭-煤-水多元浆体时,具有更好的流动性能以及较低的表观黏度,在质量分数为 56%、烘焙炭的掺混量为 10%的条件下,浆体的最低表观黏度为 469.31 mPa·s.这是由于水溶态钾与颗粒表面的羧基官能团反应生成了羧酸钾盐,减少了亲水基团的数量,相对增强了颗粒的疏水性,进而提高了浆体的流动性能并降低了黏度.

摘要：弱胶结充填断层破碎带在采掘扰动和地下水渗流作用下易发生突水事故,给深部资源开采带来极大威胁.断层破碎带的胶结充填特征直接控制着流体运移和渗流通道形成,有必要深入研究胶结充填特征对断层破碎带渗流特性的影响规律.因此开展了不同Talbot级配指数n的断层破碎带三轴渗流试验,采用CT扫描分析了断层破碎带在渗流前后的微细观结构变化特征,通过基于CT扫描数据的数值模拟研究了弱胶结充填断层渗流特性.结果表明:围压通过改变断层破碎带结构而影响渗透性,围压升高使得断层破碎带内部孔隙和裂隙被压缩,弱胶结充填断层破碎带渗透系数随围压增大而减小;Talbot级配指数n和含石率越大的断层破碎带其内部连通性和渗透性越好,更易形成渗流通道,反之Talbot级配指数n越小的断层破碎带孔隙率和孔隙连通性越低,渗透性能越弱,更难形成渗流通道;地下水渗流将使断层破碎带内部球状孔隙减少,扁平状孔隙增加,导致逐渐形成渗流通道;断层破碎带内部孔隙方位角和极角变化可反映渗流路径的改变;在地下水渗流作用下断层破碎带骨架间将逐渐形成优势渗流通道,进而形成突水通道,Talbot级配指数n对断层破碎带发生突水的涌水量影响显著,涌水量随着Talbot级配指数n的增大呈现先增大后减小的趋势.

摘要：透明矿井构建是我国煤矿智能化建设实施的关键.受矿井地质探测、多场融合识别理论与技术的限制,现有矿井地质灾害隐患识别的精度、准确度及时效性仍难以满足新时期透明矿井构建对多源地质信息数据的应用要求.在总结现有震电联合反演、井地联合反演、多波多属性联合动态反演、多源多尺度多物理场联合反演等技术发展的基础上,提出"三尺度-三精度-一个模型"的透明矿井构建思想,三尺度即矿区、采区(精度 3 m)、工作面(精度 0.5 m和 0.1 m)三个尺度,一个模型即时空统一的透明地质模型.设计了多源异构数据管理方式,包括多源、多模态矿井数据的规范化采集、清洗、标注及湖仓一体化管理方法,为地质大模型提供了高可信度的数据支撑;提出了矿井地质灾害隐患动态识别技术框架,包括多源多场信息的实时感知与汇聚、多场地球物理数据的综合集成与处理、多场联合反演、特征构建与动态识别、预警发布、模型更新与大模型交互等 5项技术内涵,通过"数据感知-数据处理-多场反演-特征构建-动态识别-反馈优化"的闭环流程实现矿井地质灾害隐患的持续感知与智能决策.系统阐述了矿井典型地质灾害隐患识别模型构建的关键技术,包括:地面地球物理多场联合反演及识别、掘进巷道随钻原位探测识别、综采面煤岩层位及结构识别、瓦斯地质识别、富水地质识别、以及扰动条件下地质构造动态识别等6类识别模型.为构建智能化、透明化、实景化的透明矿井地质云平台提供新的理论技术支撑.

摘要：煤矿水害往往会造成严重的人员伤亡、财产损失并伴随矿井可采储量的减少,甚至会引发地面沉降塌陷等次生灾害,因此煤矿水害精准预测预报一直是矿井水害防治研究的热点方向.近年来,煤矿突水灾害预测技术水平取得了长足发展,但仍不能满足安全、高效、智慧、绿色矿山对水害定量精准预报的需求,亟需发展新的探测技术.磁共振技术是目前唯一能直接、定量探水的地球物理方法,然而目前采用的地面核磁共振法存在探测深度浅、抗干扰能力弱、对含水体边界区分能力差等问题.基于此,在地面核磁共振法的基础上,结合煤矿井下实际施工方式,提出了在地面布设大尺寸发射回线、在井下布设多匝小回线接收的地巷核磁共振法.首先对地巷核磁共振法进行了理论推导,基于常规含水模型分析了地巷核磁共振信号的响应特征和核函数分布规律,并采用数值计算的方式对比分析了地面核磁共振法和地巷核磁共振法的理论信号强度和有效探测深度,结果表明地巷核磁共振法在含水体埋深超过 150 m时具有更高幅值的响应信号,相比地面核磁共振法具有接近其 2倍的探测深度;然后,对顶底板含水体分别采用同步采集、定收采集、定发采集等 3种数据采集方式进行了数值模拟计算,并利用初始振幅E0 多测道成果图分析了不同数据采集方法对含水体边界的刻画能力,结果表明同步采集方式对顶板含水体的中心点和底板含水体的边界分辨能力稍弱,而定收和定发采集对顶底板含水体的中心和边界均具有良好的横向区分能力;同时分析了不同地倾角下核磁多测道剖面特征;最后,利用一维Occam反演算法进行了多种层状模型的自由感应衰减信号一维反演和顶底板含水体模型的拟二维反演成图,对地巷核磁共振岩层含水率定量探测能力进行了验证.